猪粪农田施用下的水稻生产生命周期碳排放

分类：论文范文 发表时间：2021-05-08 09:18

　　摘要:规模化养殖的畜禽废弃物替代化学氮肥施入农田,可一定程度上减少化肥生产及使用造成的环境污染,但废弃物施入农田后产生的碳排放已成为农业生态系统面临的重要问题。研究畜禽废弃物农田施用的环境影响,对于探索农田对畜禽废弃物的承载能力具有重要意义。本文采用生命周期评价方法,探讨了猪粪部分替代化学氮肥投入农田的条件下,单位产量水稻生产生命周期的碳排放情况。整个生命周期分为原料开采、农资生产、农田种植3个阶段。结果表明,在1t水稻生产的生命周期中,常规化肥、猪粪50%替代化肥N、猪粪100%替代化肥N的总碳排放分别为1.760 t(CO2-eq)·t?1、1.997 t(CO2-eq)·t?1和2.550 t(CO2-eq)·t?1,猪粪50%替代化肥N、猪粪100%替代化肥N处理分别比单施化肥处理增产15.87%、9.14%,碳排放高13.63%、44.89%。3种施肥方式碳排放在原料开采阶段分别为0.145 t(CO2-eq)·t?1、0.085 t(CO2-eq)·t?1、0.047 t(CO2-eq)·t?1,农资生产阶段分别为0.032 t(CO2-eq)·t?1、0.014 t(CO2-eq)·t?1、0t(CO2-eq)·t?1,农田种植阶段分别为1.583 t(CO2-eq)·t?1、1.898t(CO2-eq)·t?1、2.503 t(CO2-eq)·t?1。其中农田种植阶段是碳排放的主要阶段。相较常规单施化肥处理,猪粪50%、100%替代化肥N处理碳排放在原料开采阶段分别减少41.37%、61.58%,农资生产阶段分别减少56.25%、100.00%,而农田种植阶段分别增加20.25%、58.23%。猪粪部分替代化肥N进行农田施用,可部分减少原料开采阶段、农资生产阶段的碳排放,但显著增加了农田种植阶段的碳排放,从而总体上增加了水稻生产生命周期的碳排放,应探索改进其施用方式以减少其环境影响。

　　关键词:猪粪 化肥氮 水稻生产 碳排放 生命周期

　　在我国过去30年快速城镇化进程中,为满足人民生活水平提高而不断增加的肉蛋奶等畜禽产品需求,畜禽养殖产业迅速发展,产生了大量养殖废弃物。据统计,畜禽养殖业粪便年产达2.43亿t[1]。由于对养殖废弃物的处理尚未形成成熟机制与模式,对环境已经造成严重影响[2?3]。当前我国农业发展正处在一个由传统“高碳农业”向现代“低碳农业”转变的重大转型期。联合国和世界银行在《国际农业知识与科技促进发展评估(2008)》报告中指出,现代农业应摆脱对化肥等化学品的过度依赖,代之以对环境友好的生态农业模式。已有研究表明,将畜禽业废弃物作为养分资源,部分代替化肥进行农田就近消纳利用,既能避免自身处理不当所引起的环境污染问题,又能提高土壤生产能力及作物产量,同时一定程度减少化肥使用量及其环境影响[4?7]。同时,有研究表明,相较全部施用化学氮肥,猪粪部分替代化学氮肥会增加稻田N2O、CH4排放的综合温室效应[8?9]。生命周期评价法(Life Cycle Assessment,LCA)已广泛应用于农业生产系统中水稻(Oryzasativa)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等各种作物在产前、产中、产后的综合环境影响评价[10?12],以及不同施肥种类、施肥方式等产生的生命周期环境影响[13?14]。但对于猪粪部分替代化学氮肥进行农田施用情况下,化学氮肥生产过程环境排放、农田种植过程环境排放等作物生产全过程中的环境影响及构成方面研究总体还较少。农田生态系统碳排放主要指农田系统生产活动所需化石能源消耗直接或间接引起的CO2(或温室气体)排放量,用其衡量废弃物施入农田后作物生产周期全过程的碳足迹,对科学量度废弃物农田循环利用程度及环境影响有积极意义。相关研究对尺度农田生态系统碳足迹[15]、区域尺度农田生态系统碳足迹[16]进行了分析,也有学者研究了粮食农田生产、加工过程中的碳排放[17]。本文在田间试验、资料收集的基础上,对猪粪不同水平替代化肥条件下,水稻种植生命周期的碳排放进行研究,为探讨农田在保证生产能力条件下的养殖废弃物合理容量,指导农田系统“低碳生产”、实现农业生态系统良性循环提供参考。

　　1.材料与方法

　　1.1研究边界确定

　　本研究根据生命周期评价理论与方法,研究猪粪部分替代化学氮肥条件下,一季稻田水稻种植生命周期全过程(原料开采阶段、农资生产阶段、农田种植阶段)的碳排放。研究的起始边界从农资生产与农田种植阶段需要原料的开采开始,终止边界为农田种植输出水稻产品,分析全过程的碳排放及构成。生命周期阶段中,种前准备阶段分为原料开采阶段、农资生产阶段两个部分,其中原料开采阶段主要考虑农资(化肥)生产阶段和农田种植阶段所需化石能源煤、石油、天然气等初级能源开采的温室气体排放,以及柴油、电力等次级能源生产的温室气体排放;农资生产阶段主要考虑化肥(尿素)在生产过程中的温室气体排放;农田种植阶段考虑水稻田间生产过程中整地、插秧、施肥、田间管理、作物收获等引起的能耗与温室气体排放。原料开采阶段和农资生产阶段相关参数参考相关文献确定,农田种植阶段相关参数来源于田间试验。研究以田间生产1t水稻产品为功能单位,研究边界如图1所示:

　　1.2田间试验与温室气体采集

　　田间试验区域位于四川省成都都江堰市天马镇金陵村(30°57′0.99′′N, 103°44′3.69′′E),该区属中亚热带湿润季风气候区,年均温15.2°C,年降水量1200mm,年均无霜期280 d。区域地形平坦,灌排方便,机械化水平较高。土壤为灰色冲积物发育的淹育型水稻土,常年以“稻?麦”轮作制为主。距离研究对象田块4km处有一养猪场,年出栏生猪600头,猪粪经过干湿分离处理。

　　2.结果与分析

　　2.1物质投入产出清单

　　各施肥处理物质投入、产出项目及所属生命周期阶段见表6,各处理物质投入量、产出情况见表7。在物质投入部分,原油、原煤投入既用于开采过程中的自身消耗,又用于电力、柴油等次级能源的生产消耗,主要在原料开采阶段。农资生产阶段主要是化学氮肥生产过程中消耗的燃煤和电力,而农田种植阶段则主要消耗柴油、化肥、农药、劳动力。产出部分则为水稻产品(只计算经济产品产出),各处理水稻产量分别为8.32 t·hm?2、9.64 t·hm2、9.13 t·hm2。

　　2.2原料开采阶段碳排放

　　原料开采阶段碳排放如表8所示。其中,各处理次级能源燃煤、柴油、电力生产产生的碳排放量分别为0.905 t(CO2-eq)·hm2、0.628 t(CO2-eq)·hm2、0.353 t(CO2-eq)·hm2;初级能源原煤、原油开采产生的碳排放分别为0.303 t(CO2-eq)·hm2、0.188t(CO2-eq)·hm2、0.073 t(CO2-eq)·hm2;按生产1t水稻计算,在原料开采阶段,处理NM1、NM2较N1(常规化肥)的碳排放量分别降低41.38%、67.59%。

　　3.讨论

　　猪粪作为有机肥,与化肥配合施用能够提高水稻氮素利用率,促进水稻养分累积,从而显著提高水稻籽粒产量。本研究中,猪粪50%、100%替代化肥处理分别比单施化肥处理增产15.87%、9.14%,与宋小林等[27]、孟琳等[28]的结果较为一致。另有郭智等[29]研究表明,猪粪50%替代化学氮肥可减少稻季总氮径流流失量达5.49%。通过猪粪与化肥合理配合施用,既可有效提高作物产量,又能一定程度上减少田间氮素养分流失。

　　4.结论

　　本文探讨了猪粪部分替代氮肥条件下,生产1t水稻的3个生命周期阶段碳排放及构成。在原料开采阶段,单施化肥和猪粪50%、100%替代化肥3个施肥处理的初级能源(原煤、原油)开采碳排放量分别为0.036 t(CO2-eq)·t1、0.020 t(CO2-eq)·t1、0.008 t(CO2-eq)·t1,次级能源(燃煤、柴油、电力)生产碳排放量分别为0.109 t(CO2-eq)·t1、0.065 t(CO2-eq)·t1、0.039 t(CO2-eq)·t1,原料开采阶段总碳排放分别为0.145 t(CO2-eq)·t1、0.085 t(CO2-eq)·t1、0.047 t(CO2-eq)·t1;本阶段猪粪50%、100%替代化学氮肥处理比常规单施化肥处理分别减排41.37%、61.58%。在农资生产阶段,各处理生产尿素消耗燃煤产生的碳排放分别为0.002 1t(CO2-eq)·t1、0.000 9 t(CO2-eq)·t1、0t(CO2-eq)·t1,消耗电力产生的碳排放分别为0.03 t(CO2-eq)·t1、0.01 t(CO2-eq)·t1、0t(CO2-eq)·t?1,农资生产阶段总碳排放分别为0.032 t(CO2-eq)·t1、0.014 t(CO2-eq)·t1、0t(CO2-eq)·t1,本阶段猪粪50%、100%替代化学氮肥处理比常规单施化肥处理分别减排56.25%、100.00%。在农田种植阶段,各处理由田间作业引起的碳排放分别为0.069 t(CO2-eq)·t?1、0.065 t(CO2-eq)·t?1、0.075 t(CO2-eq)·t?1,施肥后作物生长期稻田温室气体排放量分别为2.425 t(CO2-eq)·t1、2.744 t(CO2-eq)·t?1、3.318 t(CO2-eq)·t1,农田种植阶段碳排放总量分别为1.58 t(CO2-eq)·t?1、1.90 t(CO2-eq)·t1、2.50 t(CO2-eq)·t1。本阶段猪粪50%、100%替代化学氮肥处理比常规单施化肥处理分别增加碳排放20.25%、58.23%。在水稻生产的全生命周期中,各处理总碳排放分别为1.76 t(CO2-eq)·t1、2.00 t(CO2-eq)·t?1、2.55 t(CO2-eq)·t1,猪粪50%替代化肥N、猪粪100%替代化肥N处理较常规化肥处理分别高13.63%、44.89%。3个生命周期阶段的碳排放分布分别为1.84%~8.24%、0%~1.82%和89.77%~98.04%,农田种植阶段是水稻生长生命周期碳排放的主要阶段。猪粪作为畜禽养殖废弃物部分替代化肥氮进行农田施用,可部分减少原料开采阶段、农资(氮肥)生产阶段的碳排放,但显著增加了农田种植阶段的碳排放,应通过探索猪粪处理技术,改进猪粪农田施用方式等以减少其环境影响。

　　参考文献

　　[1]统计局.第一次全国污染源普查公报[R].北京:统计局, 2010National Bureau of Statistics of the People’s Republic ofChina. Census Bulletin of the First National Pollution[R].Beijing: National Bureau of Statistics of the People’sRepublic of China, 2010

　　[2] Ferial M R, Walid D S, Mohamed A M. Bioconversion of ricestraw and certain agro-industrial wastes to amendments fororganic farming systems: 1. Composting, quality, stability andmaturity indices[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(15):5952–5960

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